淺談靜壓樁沉樁機(jī)理特性研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

朱亮亮 肖昭然

（河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001）

目前，高層建筑已成當(dāng)今城市建筑的主題，其對(duì)地基基礎(chǔ)提出很高的技術(shù)要求。 樁是設(shè)置于土中的柱形基礎(chǔ)構(gòu)件，它與上部承臺(tái)組成深基礎(chǔ)，一起傳遞上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷。 由于樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性好、承載力高、沉降量較小且均勻等特點(diǎn)，所以它成了現(xiàn)代基礎(chǔ)工程體系中非常重要的基礎(chǔ)形式。 靜壓樁作為其中一種樁基形式，由于其沉樁具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)沖擊力、施工應(yīng)力小、樁頂不易損壞和沉樁精度較高且便于文明施工等特點(diǎn)，如今得到了很大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

由于樁基型式和地基土體物理力學(xué)特性等的多樣性，所以在理論上準(zhǔn)確確定工程應(yīng)用中的靜壓樁的豎向承載力有很大的難度。 提出的許多確定方法常是基于工程實(shí)踐，有較大的局限性且最終結(jié)果相差很大。 隨著巖土工程學(xué)科的研究發(fā)展，人們更加重視對(duì)靜壓樁沉樁機(jī)理的研究。 為方便于實(shí)現(xiàn)我國(guó)靜壓樁研究，有必要分析一下國(guó)內(nèi)外靜壓樁承載力特性研究方法的現(xiàn)狀。

圖 1-1 樁基礎(chǔ)主要研究方法的分類

1 國(guó)內(nèi)外靜壓樁承載力特性的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

試驗(yàn)方法主要有三種：室內(nèi)模型樁試驗(yàn)，離心機(jī)模型樁試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)樁試驗(yàn)。 主要是為了獲得不同深度下的樁阻力（側(cè)摩阻力及樁端阻力）和孔隙水壓力與土壓力。 在試驗(yàn)方面，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成本很大和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜因素，室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)研究靜壓樁的沉樁機(jī)理相比而言比較重要。

Dave White 等在室內(nèi)試驗(yàn)砂箱中做了靜壓樁的模型試驗(yàn)，并在工地上做了靜壓樁試驗(yàn)。 一方面通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了砂土的特性對(duì)靜壓樁的影響；另一方面通過現(xiàn)場(chǎng)靜壓樁試驗(yàn)來驗(yàn)證模型試驗(yàn)得出的結(jié)論。

Lehane 等人通過在松砂中的靜壓模型樁試驗(yàn)， 研究了樁徑、管樁管厚、應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)靜壓樁性能的影響。

Paik 等人通過改變砂土的特性來研究樁的壓入方法對(duì)刺入?yún)?shù)和承載力的影響。 試驗(yàn)結(jié)果表明在相同的錘擊能量下，隨著夯錘質(zhì)量的增加，錘擊次數(shù)和填充率減小。 靜壓樁的試驗(yàn)表明，由于靜壓比錘擊更加有利于樁端土塞的發(fā)展，靜壓樁的承載力更高。

Bond,A.J&Jardine,R.J.做了一系列靜壓樁在超固結(jié)土中的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模型樁長(zhǎng)7m，直徑102mm，樁尖水平角為60°。 樁身裝有軸向壓力傳感器、應(yīng)變片、孔壓計(jì)和位移傳感器。 試驗(yàn)時(shí)，勻速分段壓入，每次每段為225mm，整個(gè)過程中傳感器每3s 讀一次數(shù)。 等樁壓入穩(wěn)定后進(jìn)行靜載試驗(yàn)。 試驗(yàn)量測(cè)了樁在靜壓過程中，土的固結(jié)、孔隙水壓力的消散過程及樁土接觸面上的有效應(yīng)力變化。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，剪應(yīng)力值伴著樁貫入過程逐漸增大然后保持穩(wěn)定。 樁土界面處剪應(yīng)力大小與土的初始強(qiáng)度關(guān)系不大，另外在不同的壓樁速度下其剪應(yīng)力值是不相同的。

Bond,A.J&Jardine,R.J.另外還通過用兩種模型樁試驗(yàn)測(cè)出了樁在壓入和靜載試驗(yàn)時(shí)的樁土界面處的剪應(yīng)力、孔隙水壓力和環(huán)向有效應(yīng)力值的變化。

Price&Wardle 等對(duì)超固結(jié)土做了大量的研究，得出土的應(yīng)力變化受樁的壓入速度影響。

Coop&Wort 通過試驗(yàn)測(cè)出超固結(jié)土的孔壓變化，分析了靜壓樁的成孔效應(yīng)。

Kens 等在一個(gè)大型砂坑中， 使用不同的探頭做一些列的試驗(yàn)，量測(cè)了在壓入過程中樁端阻力及平均側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，并說明了“臨界深度”這一概念。

Vesic 通過現(xiàn)場(chǎng)砂土中的靜力初探與靜壓樁貫入試驗(yàn)，量測(cè)了端阻力及側(cè)阻力的變化，研究了臨界深度的位置。

劉祖德等介紹了在土工試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭惺褂蔑@微鏡位移跟蹤法的方法，其把位移場(chǎng)轉(zhuǎn)為介質(zhì)密度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)，研究了靜力初探的機(jī)理。

張明義等改進(jìn)了室內(nèi)試驗(yàn)的儀器，通過其研究了樁-土滑動(dòng)摩擦及其時(shí)效性，為靜壓樁沉樁過程中的數(shù)值模擬和承載力特性分析打下基礎(chǔ)。

圖1 -2 樁-土滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)儀器（左） 不同固結(jié)壓力下滑動(dòng)摩阻力隨位移的變化（右）

侯兆霞通過在不同密實(shí)度的砂中進(jìn)行模型樁試驗(yàn)， 量測(cè)了樁附近土體的應(yīng)力變化，研究了砂土的破壞機(jī)理。

2 國(guó)內(nèi)外靜壓樁承載力特性的理論研究

上述主要是利用試驗(yàn)現(xiàn)象來闡述沉樁機(jī)理， 但對(duì)試驗(yàn)方法的增補(bǔ)與升華離不開理論方面的研究方法。 大致有以下幾類：

1）剛塑性理論

有關(guān)砂土地基的地基極限荷載用這個(gè)理論可以轉(zhuǎn)化為：Pu=rhN（N 為深基礎(chǔ)承載力系數(shù)）。

這個(gè)理論沒有考慮樁尺寸的影響。 使用剛塑性理論的有關(guān)深基礎(chǔ)地基極限荷載的計(jì)算方法只能在小于臨界深度且在考慮多層土對(duì)其的影響的條件下使用。

2）圓孔擴(kuò)張理論

圓孔擴(kuò)張理論假定樁尖的貫入為在彈塑性無(wú)限介質(zhì)中的球形孔擴(kuò)張、圓柱孔穴擴(kuò)張、或介于圓球與圓柱之間的擴(kuò)張。 它認(rèn)為土的強(qiáng)度和變形影響樁貫入過程中的阻力。

Yasufuku 認(rèn)為樁端砂的受壓變形形狀與砂的可壓縮性沒有明顯聯(lián)系。 故球孔擴(kuò)張理論能很好的在計(jì)算分析樁端阻力中所應(yīng)用。 其使用此理論把小孔擴(kuò)張壓力與樁端阻力相關(guān)聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中有較大的實(shí)用性。

張明義在樁端土上使用此理論， 并聯(lián)系樁周土體介質(zhì)的相對(duì)摩擦得出了球形孔擴(kuò)張-滑動(dòng)摩擦的計(jì)算公式。

王啟銅等提出在研究靜壓樁的相關(guān)機(jī)理時(shí)使用考慮介質(zhì)不相等的拉、壓模量時(shí)的圓柱孔擴(kuò)張解答。

3）應(yīng)變路徑法

Baligh 等總結(jié)出一種基于樁貫入過程中不考慮土的本構(gòu)關(guān)系但可以準(zhǔn)確得到土體的位移場(chǎng)的方法，此方法簡(jiǎn)化了相關(guān)問題的求解。

Baligh 提出的這個(gè)方法能大體分析預(yù)測(cè)出由土體內(nèi)不同剛樁導(dǎo)致的土的擾動(dòng)。

這個(gè)方法有許多優(yōu)點(diǎn)：考慮了樁壓入過程的連續(xù)性，認(rèn)識(shí)到了樁周彈性介質(zhì)和縱向坐標(biāo)之間的關(guān)系。 但這個(gè)方法計(jì)算起來比較復(fù)雜且實(shí)際上是個(gè)大致近似方法。 一些人的研究就指出，此方法假設(shè)的一維模型不能描述二維的問題，因?yàn)樗^于簡(jiǎn)化。

3 國(guó)內(nèi)外靜壓樁承載力特性的數(shù)值分析研究

由于靜壓樁沉樁問題的復(fù)雜性， 在求解析解或近似解時(shí)常常非常困難，且當(dāng)在一些復(fù)雜情況下不能很好的計(jì)算樁基礎(chǔ)時(shí)，如樁周土體介質(zhì)的特性過于復(fù)雜，可以使用數(shù)值解法。

Liyanapthirana 在砂土中開口鋼管樁的壓入過程中用大變形有限元法模擬，分析了樁端土的應(yīng)力應(yīng)變特性。

Daichao Sheng 等在ABAQUS 中使用大滑移面算法成功模擬了樁的貫入過程。

張明義在ANSUS 中使用設(shè)定位移邊界條件的方法模擬了樁的貫入，分析了樁的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。

張明義總結(jié)了在樁上有限元法的應(yīng)用： 樁體貫入的有限元分析分為小變形和大變形兩種形式，沉樁過程中宜采用大變形分析方法，其能夠處理幾何非線性與材料非線性問題。 在處理樁土界面時(shí)要使用滑動(dòng)面算法。

朱合華與李元海等開發(fā)了用于分析砂土模型試驗(yàn)變形量測(cè)的圖像的軟件，結(jié)合使用數(shù)碼照相與圖像分析技術(shù)觀測(cè)了變形。

4 結(jié)語(yǔ)

從上述分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)可見， 目前對(duì)靜壓樁的研究主要集中于單樁貫入的承載力、 樁周土體變形、沉樁機(jī)理、擠土效應(yīng)等問題。 而對(duì)于樁壓樁前后樁周砂土密實(shí)度的變化規(guī)律、相關(guān)土體力學(xué)特性的變化對(duì)于樁承載特性的影響等問題的研究仍較缺乏。

[1]Baligh M M.Strain path method [J].Journal of Geotechnical Engineering Division,ASCE,1985

[2]Lehane B M,Jardin R J,Bond A J,Frank R.Mechanisms of shaft friction in sand from instrumented pile tests [J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1993

[3]Chow F C,Jardin R J,Nauroy J F,Brucy F. Time related increase in shaft capacities of driven piles in sand[J].Geotechnique,1997

[4] 翟曉偉. 靜壓管樁全過程壓力量測(cè)及承載力特性研究[J].碩士學(xué)位論文,2009

[5]龔曉南,李向紅.靜力壓樁擠土效應(yīng)中的若干力學(xué)問題[J].工程力學(xué),2000

[6]蔣明鏡,沈珠江.考慮材料應(yīng)變軟化的柱形孔擴(kuò)張問題[J].巖土工程學(xué)報(bào),1995